nguyên lý siêu âm tông quat

Cho đến hiện nay nhiều kỹ thuật siêu âm hiện đại đã đợc áp dụng trong lâm sàng nh siêu âm tim qua thực quản, siêu âm trong buồng tim, trong lòng mạch, các kỹ thuật siêu âm cản âm, siêu â

NGUYÊN Lý CƠ BảN Về SIÊU ÂM CHẩN ĐOáN

BSCKI Nguyễn Văn Kền

Siêu âm l một loại âm thanh đặc biệt đã đà một loại âm thanh đặc biệt đã đ ợc biết đến từ cách đây hàng ngàn năm, ngày nay siêu âm cũng đã đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và đời sống,

đối với y học từ 1941, Kard Dussik, một ngời úc đã sử dụng kỹ thuật siêu âm lần

đầu tiên để đo não thất Sau chiến tranh thể giới thứ 2 nhiều kỹ thuật quân sự đợc

đ-a rđ-a ứng dụng với mục đích hoà bình, trong đó có kỹ thuật Sonđ-a, từ đó mở rđ-a một thời kỳ mới đối với siêu âm 1950 W.D Keidel, một nhà nghiên cứu ngời Đức đã ứng dụng phơng pháp siêu âm trong thăm khám tim mạch ông ta đã chiếu chùm tia siêu âm qua tim và thu nhận sóng siêu âm ở phía đối diện 1953 hai bác sỹ Thuỵ

Điển là Helmut Hetz và Inge Edler đã sử dụng thành công hệ thống siêu âm để khám tim mạch, từ đó khái niệm siêu âm lâm sàng trở thành phổ biến trên thế giới Tuy vậy ở thời kỳ này siêu âm chỉ ghi lại đợc một số hình ảnh vận động của thành thất, của lá trớc van 2 lá và phát hiện dịch màng ngoài tim và Edler đã là ngời đầu tiên mô tả những hình ảnh hẹp van 2 lá, hẹp van động mạch chủ, khối u nhĩ trái, tràn dịch màng ngoài tim trên siêu âm Những công trình này đợc coi là khởi đầu cho ngành siêu âm tim mạch, nhng rất tiếc cho đến khi nghỉ hu 1976 ông không tham gia phát triển thêm các kỹ thuật siêu âm mới Đến hội nghị tim mạch châu Âu lần thứ 3 năm 1960 đã có một số nghiên cứu về siêu âm của các tác giả Thuỵ Điển,

Đức, cũng chính những tác giả này đề nghị hãng Siemens chế tạo máy siêu âm đầu tiên cho họ Cũng từ những năm 50 của thế kỷ trớc một nhóm các nhà nghiên cứu Nhật bản Satomura, Yoshida và Nimura ở trờng Đại học Osaka đã nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật Doppler trong siêu âm, đây là những nghiên cứu đầu tiên, đặt nền móng cho phát triển siêu âm Doppler sau này, nh những nghiên cứu của Holen và Hatle 1979 về thay đổi huyết động trong các bệnh hẹp van 2 lá và van động mạch chủ Kỹ thuật siêu âm màu Doppler đã đợc phát triển từ những năm 1970 do các nhà nghiên cứu Mỹ và Nhật Bản nh Brandestini, Kasai, Omoto Cho đến hiện nay nhiều kỹ thuật siêu âm hiện đại đã đợc áp dụng trong lâm sàng nh siêu âm tim qua thực quản, siêu âm trong buồng tim, trong lòng mạch, các kỹ thuật siêu âm cản âm, siêu âm gắng sức, siêu âm tim 3D… đã làm cho siêu âm tim trở thành một ph đã làm cho siêu âm tim trở thành một phơng tiện không thể thiếu trong ngành tim mạch và cùng với sự phát triển của khoa học

kỹ thuật ngày càng có nhiều kỹ thuật siêu âm mới ra đời, đòi hỏi các bác sỹ siêu

âm luôn luôn cập nhật kiến thức, trang bị để phục vụ tốt hơn cho chẩn đoán lâm sàng Và để sử dụng máy siêu âm tốt hơn chúng ta cần hiểu biết về tính chất cơ bản của siêu âm và nguyên lý cấu tạo máy siêu âm hiện đang đợc dùng trong chẩn đoán hàng ngày

1 Một số tính chất vật lý của siêu âm

Siêu âm là một loại dao động cơ học đợc truyền đi trong một môi trờng có tính đàn hồi Năng lợng cơ học này tác động vào các phân tử vật chất của môi

trờng làm cho chúng giao động khỏi vị trí cân bằng, mặt khác do tơng tác mà các phân tử bên cạnh nó cũng chịu ảnh hởng và giao động theo, tạo thành sóng lan truyền theo một hớng nhất định cho tới khi hết năng lợng Chính vì vậy siêu

âm không thể truyền ở môi trờng chân không nh một số dạng sóng khác

Âm thanh đợc chia thành 3 loại theo tần số Những âm thanh có tần số dới

16 Hz mà tai ngời không thể nghe đợc là hạ âm, nh sóng địa chấn Các sóng âm

có dải tần từ 16 Hz đến 20.000 Hz đợc gọi là âm nghe đợc, còn siêu âm có tần

số trên 20.000 Hz Nh vậy về bản chất siêu âm cũng không có gì khác với các giao động cơ học khác và nó cũng đợc đặc trng bởi một số đại lợng vật lý nh: tần số, biên độ , chu kỳ… đã làm cho siêu âm tim trở thành một ph

 Chu kỳ là khoảng thời gian thực hiện một nén và dãn Đơn vị thờng đợc tính bằng thời gian ( s, ms… đã làm cho siêu âm tim trở thành một ph)

 Biên độ là khoảng cách lớn nhất giữa 2 đỉnh cao nhất và thấp nhất Nó biểu thị cho độ mạnh của sóng âm và có liên quan mật thiết với năng lợng của nguồn phát Đơn vị đo bằng decibel ( db )

 Tần số ( f ) là số chu kỳ giao động trong 1 giây, đơn vị đo là Hz 1KHz bằng

1000Hz và 1 MHz bằng 1.000.000 Hz Trong thực hành lâm sàng các đầu dò siêu âm chẩn đoán thờng có tần số 1- 20 MHz Giữa tần số và bớc sóng có mối liên quan mật thiết với nhau, khi tần số càng cao, bớc sóng càng ngắn

 Bớc sóng() là độ dài của 1 chu kỳ giao động Bớc sóng thờng đợc đo bằng đơn vị đo chiều dài nh mm, đối với siêu âm chẩn đoán bớc sóng thờng 0,15- 1,5 mm

 Tốc độ siêu âm ( c ) là quãng đờng mà chùm tia siêu âm đi đợc trong 1 đơn

vị thời gian, thờng đợc đo bằng m/s Tốc độ siêu âm không phụ thuộc vào công suất của máy phát mà phụ thuộc vào bản chất của môi trờng truyền âm Những môi trờng có mật độ phân tử cao, tính đàn hồi lớn, siêu âm truyền tốc

độ cao và ngợc lại những môi trờng có mật độ phân tử thấp tốc độ sẽ nhỏ Ví

dụ xơng từ 2700- 4100 m/s; tổ chức mỡ 1460-1470 m/s; gan 1540-1580 m/s; phổi 650-1160 m/s; cơ 1545-1630m/s; nớc1480m/s; không khí 330m/s… đã làm cho siêu âm tim trở thành một ph Trong siêu âm chẩn đoán ngời ta thờng lấy giá trị trung bình của tốc độ siêu

âm trong cơ thể là 1540m/s, tơng đơng với tốc độ của siêu âm trong các mô mền nói chung, đây là đối tợng chủ yếu của các thăm khám siêu âm Ngoài

ra tốc độ của siêu âm còn phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trờng, nhng đối với siêu âm chẩn đoán nhiệt độ cơ thể tơng đối hằng định nên yếu tố này không

đợc đề cập tới Giữa tốc độ truyền âm, bớc sóng và tần số có mối liên hệ qua phơng trình sau:

C =  f

 Năng lợng siêu âm ( P ) biểu thị mức năng lợng mà chùm tia siêu âm truyền

vào cơ thể Giá trị này phụ thuộc vào nguồn phát , trong siêu âm chẩn đoán

để đảm bảo an toàn các máy thờng phát với mức năng lợng thấp vào khoảng 1mw đến 10mw Tuy nhiên trong các kiểu siêu âm thì siêu âm Doppler thờng

có mức năng lợng cao hơn ở các máy siêu âm hiện đại ngời sử dụng có thể

chủ động thay đổi mức phát năng lợng để nâng cao hơn tính an toàn cho bệnh nhân, nhất là đối với thai nhi và trẻ em

 Cờng độ sóng âm ( I ) là mức năng lợng do sóng âm tạo nên trên 1 đơn vị diện tích Thờng đợc đo bằng đơn vị W/cm2 Cờng độ sóng âm sẽ suy giảm dần trên đờng truyền nhng tần số của nó không thay đổi Ngời ta còn tính c-ờng độ sóng âm tơng đối đo bằng dB Khác với cc-ờng độ sóng âm, đại lợng này là một giá trị tơng đối, nó cho biết sự khác nhau về cờng độ siêu âm tại 2

vị trí trong không gian

10 ( )

0 10

I

I Log

dB 

I : Cờng độ siêu âm tại 1 điểm bất kỳ

I0: Cờng độ siêu âm ban đầu

Sơ đồ minh hoạ cách tính các chu kỳ, biên độ, bớc sóng, tần số siêu âm

2 Quá trình lan truyền sóng âm trong cơ thể

2.1.Trong môi trờng đồng nhất

Là môi trờng có cấu trúc giống nhau, đặc trng cho mỗi môi trờng là một hệ

số mật độ môi trờng ( ) Khi chiếu một chùm tia siêu âm vào một môi trờng

đồng nhất, nó sẽ xuyên qua với một năng lợng giảm dần cho tới khi hết năng l-ợng Sở dĩ có sự suy giảm năng lợng trên đờng truyền là do có sự tơng tác giữa siêu âm và các phần tử nhỏ của cơ thể, gây ra hiệu ứng toả nhiệt và tạo vi bọt, tuy nhiên do siêu âm chẩn đoán sử dụng công suất thấp nên chúng ta không cảm thấy sự tăng nhiệt độ này trong quá trình thăm khám Mỗi một môi trờng có hệ

số hấp phụ siêu âm ( ) khác nhau, nên mức độ suy giảm siêu âm cũng khác nhau Ngoài ra độ suy giảm siêu âm còn phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trờng

và tần số của chùm tia siêu âm, khi tần số càng cao mức độ suy giảm càng nhanh nên độ xuyên sâu càng kém Trong siêu âm hệ số  thờng đợc tính bằng

đơn vị dB/ cm ở tần số 1MHz Một số tổ chức, cơ quan trong cơ thể có hệ số hấp phụ nh sau: Phổi 41; xơng sọ 20; cơ 3,3 ; thận 1; gan 0,94; não 0,85; mỡ 0,65; máu 0,18; nớc 0,0022 Ví dụ khi chiếu chùm tia siêu âm với tần số 1 MHz qua

1 cm thận cờng độ siêu âm sẽ bị giảm đi 1 dB Tơng tự nh vậy chùm tia siêu âm

sẽ bị giảm năng lợng nhiều khi chiếu qua phổi, xơng và hầu nh không thay đổi khi xuyên qua máu và nớc Trong thực hành lâm sàng mức độ suy giảm siêu âm còn cao hơn nữa vì thông thờng chúng ta sử dụng đầu dò có tần số lớn hơn 1 MHz, tuy nhiên nếu nói chính xác mối quan hệ giữa tần số và hệ số hấp phụ không hoàn toàn tuyến tính, nhng trong giải tần số của siêu âm chẩn đoán thông thờng, chúng ta có thể coi gần nh tuyến tính nghĩa là khi tần số tăng lên 2MHz thì hệ số hấp phụ tăng lên gần gấp đôi Do đó muốn nâng cao độ xuyên sâu để thăm khám các bộ phận ở xa đầu dò ngời thầy thuốc buộc phải giảm tần số nguồn phát hoặc tăng năng lợng của chùm tia siêu âm, nhng để đảm bảo tính an toàn cho bệnh nhân điều kiện thứ 2 thờng không thể thực hiện đợc

2.2.Trong môi trờng không đồng nhất

Cơ thể ngời là một môi trờng không đồng nhất, bao gồm nhiều cơ quan, tổ chức có cấu trúc khác nhau Khi chùm tia siêu âm truyền tới biên giới của hai môi trờng có độ trở kháng âm khác nhau, một phần sẽ đi theo hớng ban đầu và tiếp tục đi vào môi trờng tiếp theo, một phần sẽ bị phản xạ trở lại, mức độ phản xạ nhiều hay ít phụ thuộc vào độ chênh lệch trở kháng giữa hai môi trờng Trở kháng âm (z) là một đại lợng vật lý biểu thị cho khả năng cản trở không cho chùm tia siêu âm xuyên qua của môi trờng, nó phụ thuộc vào mật độ và tốc độ truyền âm của môi trờng:

Z =  c

 : Mật độ môi trờng

c : Tốc độ siêu âm trong cơ thể

Z : Độ trở kháng rayl( kg/m2 /s10 6 )

Ví dụ độ trở kháng âm của một số tổ chức, cơ quan trong cơ thể nh sau: không khí 0,0004; mỡ 1,38; gan 1,65; cơ 1,7; xơng 7,8… đã làm cho siêu âm tim trở thành một phNh vậy có thể nói môi trờng truyền âm có mật độ phân tử càng lớn, dộ rắn càng cao thì độ trở kháng càng lớn

Khi sóng siêu âm truyền tới mặt phân cách giữa hai môi trờng có độ trở kháng âm khác nhau, phần năng lợng của chùm tia siêu âm phản xạ trở về tỷ lệ thuận với độ chênh lệch trở kháng giữa 2 môi trờng Và chúng đợc đặc trng bằng một đại lợng gọi là hệ số phản xạ R Để đơn giản chúng ta xét trờng hợp

đặc biệt khi chùm siêu âm phát ra từ đầu dò vuông góc với mặt phẳng phân cách của các bộ phận cần thăm dò, lúc đó tỷ lệ chùm tia siêu âm phản xạ quay trở về đợc tính theo công thức sau:

2

1 2

1 2

) (

) (



















Z Z

Z Z

Z1: Độ trở kháng âm môi trờng 1

Z2: Độ trở kháng âm môi trờng 2

Ngợc lại với độ trở kháng là độ truyền âm qua hai môi trờng có cấu trúc khác nhau Ngời ta tính hệ số truyền âm qua 2 môi trờng theo công thức sau:











2 1

1 2 4

Z Z

Z Z PT

PT: Percentage transmitted (% )

Ví dụ hệ số phản xạ và hệ số truyền âm giữa hai môi trờng xơng và tổ chức mô mền nh sau:

 

2

63 , 1 8 7

63 , 1 8 , 7



















R = 0,6542 = 0,43

Nh vậy khi chùm tia siêu âm đi qua tổ chức xơng vào mô mền có 43% năng lợng bị phản xạ trở lại và chỉ có 57% năng lợng tiếp tục đi qua Tơng tự nh vậy nếu bề mặt phân cách là không khí và mô mền thì R= 0,998, hay hệ số truyền

âm chỉ còn 1- 0,998 = 0,002 hay =0,2% Do đó trong thực hành chúng ta phải tạo môi trờng chất lỏng ( gel siêu âm ) giữa đầu dò và cơ thể để chùm tia siêu

âm có thể xuyên vào trong cơ thể, mà không bị phản xạ trở lại

Những ví dụ mà chúng ta mô tả trên là xét trong điều kiện chùm tia siêu âm vuông góc với bề mặt phân cách các môi trờng truyền âm có độ trở kháng khác nhau của cơ thể Nhng trên thực tế phức tạp hơn và ta có hiện tợng phản xạ toàn phần hoặc hiện tợng sóng âm chỉ trợt trên bề mặt phân cách hai môi trờng, hiện tợng này hay gặp khi trên đờng đi của chùm tia siêu âm có các cấu trúc hình cầu

và một số trờng hợp đặc biệt khác

Ngoài ra khi mặt phẳng phân cách giữa 2 môi trờng không phẳng thì ngoài hiện tợng phản xạ và xuyên qua còn có hiện tợng tán xạ siêu âm , lúc này có một phần rất nhỏ sóng siêu âm đi theo các hớng khác nhau và chỉ có rất ít các sóng này trở về đợc đầu dò Hiện tợng tán xạ siêu âm thờng gặp khi siêu âm gặp các cấu trúc nhỏ có đờng kính nhỏ hơn bớc sóng (    ) Nhng nhờ có tán xạ siêu âm mà ta có thể đánh giá đợc sự đồng đều của nhu mô, tổ chức trong cơ thể

Sơ đồ của chùm tia siêu âm trong cơ thể ngời với các môi trờng có độ trở kháng khác nhau.

2.3.Sự hấp phụ năng lợng siêu âm của tổ chức và an toàn siêu âm

Trong quá trình sóng siêu âm đi qua các tổ chức của cơ thể, năng lợng của

nó giảm dần, sở dĩ nh vậy là do một phần đã bị phản xạ trở lại, một phần do

t-ơng tác với môi trờng, chuyển thành nhiệt năng và gây biến đổi cấu trúc của môi trờng Nếu ta gọi P(d) là biên độ áp âm ở vị trí d, P(0) là biên độ áp âm ban đầu thì:

P (d) = P (0). e  f d

 : Hệ số suy giảm siêu âm

f : tần số sóng siêu âm

d : khoảng cách đo so với ban đầu

Theo phơng trình trên ta thấy sự suy giảm của năng lợng siêu âm tỷ lệ thuận với khoảng cách thăm dò, hệ số hấp phụ siêu âm của tổ chức và tần số đầu dò,

đây là một khó khăn cho việc phát triển kỹ thuật siêu âm vì với tần số cao hình

ảnh sẽ có độ nét cao, nhng độ xuyên sâu kém nên không thể thăm dò đợc các vị trí ở xa đầu dò

Từ đây chúng ta có khái niệm khoảng cách giảm năng lợng 1/2 , là khoảng cách mà chùm tia siêu âm tới đợc nhng năng lợng đã bị giảm đi một nửa so với ban đầu, ví dụ khoảng cách này đối với không khí là 0,08cm; xơng 0,2- 0,7cm; mô mềm 5-7cm; máu 15cm… đã làm cho siêu âm tim trở thành một ph Chính vì vậy những bộ phận trong cơ thể có chứa hơi nh phổi, ruột gây cản trở nhiều cho các thăm khám siêu âm Mặt khác do hiện tợng suy giảm năng lợng siêu âm theo độ xuyên sâu của chùm tia siêu âm , nên về mặt kỹ thuật các máy siêu âm đều có chế độ “bù gain theo chiều sâu”( Time Gain Compensation- TGC ), chế độ này nhằm tăng cờng độ sáng của những phần xa đầu dò để tạo hình ảnh đồng nhất về độ phản hồi âm trên toàn bộ trờng nhìn của màn hình, giúp ngời kiểm tra siêu âm tránh đợc những nhận định sai lầm do kỹ thuật, đảm bảo kết quả chính xác hơn

Tác động sinh học của siêu âm phụ thuộc vào tổng số năng lợng mà một vùng cơ thể nhận đợc do chùm tia siêu âm mang lại, nh vậy nó phụ thuộc vào cả cờng độ siêu âm và thời gian chùm tia siêu âm chiếu qua cơ thể ở đây chúng ta cần phân biệt năng lơng siêu âm là tổng năng lợng của chùm tia siêu âm đem lại trong một đơn vị thời gian ( ví dụ 1W nếu chùm tia siêu âm tạo ra năng l ợng 1J trong 1 giây Còn cờng độ siêu âm là năng lợng chùm tia siêu âm tạo ra trên một

đơn vị diện tích, nên đo bằng mW/cm2 Cờng độ siêu âm còn chia ra, cờng độ siêu âm đỉnh là cờng độ siêu âm cao nhất, thòng trung tâm của chùm tia và cờng

độ siêu âm trung bình là toàn bộ năng lợng của chùm tia chia cho diện tích chùm tia siêu âm chiếu qua Trong trờng hợp đầu dò phát sóng dạng xung, cờng

độ siêu âm sẽ đợc tính trung bình theo thời gian Ví dụ mỗi lần phát xung của một đầu dò là 1,5 micro giây và trong 1 giây đầu dò đó phát 1000 lần, nghĩa là thời gian hoạt động phát xung của nó bằng 1,5 x 1000/ 1.000.000 = 0,0015, hay

nói cách khác đầu dò chỉ hoạt động 0,15% thời gian Nếu nh đầu dò phát công suất 10w thì năng lợng trung bình của nó chỉ là 0,0015 x 10w = 0,015 w hay 15

mw

Năng lợng của chùm tia siêu âm khi tơng tác với cơ quan, tổ chức của cơ thể tạo ra hai hiện tợng:

- Một phần năng lợng này sẽ tạo thành nhiệt, có tác dụng làm nóng tổ chức mà

nó đi qua, tuy nhiên do công suất phát của các máy siêu âm chẩn đoán rất thấp nên hiện tợng tăng nhiệt độ tại chỗ rất nhỏ, không đáng kể và không thể đo đợc ( điều này thấy rõ hơn nhiều với các máy siêu âm điều trị sử dụng trong khoa vật lý trị liệu phục hồi chức năng do sử dụng công suất lớn hơn)

- Tác dụng tạo bọt, hay còn gọi là tạo hốc Tác dụng này phụ thuộc vào tần số sóng âm, năng lợng của chùm tia siêu âm và cả tính chất hội tụ của chùm tia, cũng nh tính chất của môi trờng truyền âm Siêu âm có thể tạo ra các vi bọt có kích thớc nhỏ cỡ m trong các tổ chức, ở mức độ nặng hơn các vi bọt có thể phá vỡ các tế bào, tuy nhiên tác động này trong thăm khám siêu âm không rõ ràng và cũng cha đợc nghiên cứu đầy đủ Ngoài ra cần lu ý các cơ quan, bộ phận khác nhau của cơ thể có thể nhạy cảm khác nhau dới tác dụng của siêu âm, nh mắt, thai nhi trong những tháng đầu… đã làm cho siêu âm tim trở thành một ph nên trong thăm khám hàng ngày chúng ta không nên kéo dài thời gian thăm khám các bộ phận này khi không cần thiết Tóm lại, các tác động sinh học của siêu âm là có thực, tuy nhiên cho đến hiện nay qua các nghiên cứu trên thực nghiệm, cũng nh các nghiên cứu qua hồi cứu lâm sàng, ngời ta cha thấy những bằng chứng rõ rệt tác hại của siêu âm chẩn đoán vì vậy siêu âm vẫn đợc coi là một phơng pháp an toàn và có thể thăm khám nhiều lần Tuy vậy theo viện nghiên cứu siêu âm trong y học của Hoa kỳ ( AIUM- American Institude of Ultrasound in Medicine ), nếu sử dụng siêu âm tần số thấp với cờng độ 100mW / cm2 Hoặc khi tích cờng độ và thời gian

xuyên âm < 50Joules/cm2 ( J/cm2 = W/cm2  sec ) thì không có hậu quả

sinh học AIUM cũng đa ra khuyến cáo sử dụng năng lợng siêu âm thấp tới mức

có thể một cách hợp lý ( ALARA: As Low As Reasonably Achievable ) để nhận

đợc thông tin chẩn đoán một cách tối u Thông thờng trong y học ngời ta áp dụng nguyên tắc an toàn kép có nghĩa là chỉ sử dụng đến mức 1/2 liều cho phép Cần lu ý trong các kiểu siêu âm, siêu âm Doppler có mức năng lợng cao hơn siêu âm 2D và TM Những máy siêu âm hiện đại đều có hệ thống cảnh báo các tác hại của siêu âm nh: chỉ số TI ( Thermal Index )và chỉ số MI ( Mechanical Index ) là những chỉ số cảnh báo về tác dụng nhiệt và cơ học để đảm bảo tính an toàn trong chẩn đoán

3 Nguyên lý cấu tạo máy siêu âm

Máy siêu âm có rất nhiều bộ phận, chi tiết khác nhau, nhng chúng ta có thể gộp lại thành 3 hệ thống chính:

- Đầu dò

- Bộ phận xử lý trung tâm

- Một số bộ phận hiển thị, ghi hình, lu trữ số liệu … đã làm cho siêu âm tim trở thành một ph

3.1 Đầu dò siêu âm.

- Đầu dò có nhiệm vụ phát chùm tia siêu âm vào trong cơ thể và thu nhận chùm tia siêu âm phản xạ quay về Dựa trên nguyên lý áp điện của Pierre Curie và Paul Curie phát minh năm 1880 ngời ta có thể chế tạo đợc các đầu dò siêu âm

đáp ứng đợc các yêu cầu trên Hiệu ứng áp điện có tính thuận nghịch: Khi nén

và dãn tinh thể thạch anh theo một phơng nhất định thì trên bề mặt của tinh thể theo phơng vuông góc với lực kéo, dãn sẽ xuất hiện những điện tích trái dấu và một dòng điện đợc tạo thành, chiều của dòng điện thay đổi theo lực kéo hoặc dãn Khi chiếu chùm tia siêu âm vào tinh thể thạch anh chính là thực hiện lực cơ học gây co giãn tinh thể thạch anh Ngợc lại khi cho một dòng điện xoay chiều chạy qua tinh thể thạch anh, tinh thể sẽ bị nén và dãn liên tục theo tần số dòng

điện và tạo thành dao động cơ học Nh vậy hiệu ứng áp điện rất thích hợp để chế tạo đầu dò siêu âm

- Cấu tạo đầu dò Thành phần cơ bản của đầu dò siêu âm là các phần tử Mỗi phần tử bao gồm 1 tinh thể đợc nối với dòng điện xoay chiều Khi cho dòng

điện chạy qua tinh thể áp điện Chiều dày của các tinh thể càng mỏng tần số siêu âm đợc tạo ra càng cao Vì các tinh thể thạch anh có những hạn chế về mặt

kỹ thuật nên ngày nay nhiều vật liệu mới nh các muối titanat đợc sử dụng trong công nghệ chế tạo đầu dò, cho phép tạo ra những đầu dò có tần số theo yêu cầu của lâm sàng Đồng thời trớc kia mỗi đầu dò chỉ phát 1 tần số cố định, ngày nay bằng công nghệ mới ngời ta có thể sản xuất những đầu dò đa tần, bằng cách cắt các tinh thể thành những mảnh rất nhỏ từ 100- 200m, sau đó ngăn cách chúng bằng một loại vật liệu tổng hợp có độ trở kháng thấp, những đầu dò kiểu mới có thể phát với các tần số khác nhau trên 1 dải rộng nh 2-4 MHz, thậm chí 3-17MHz… đã làm cho siêu âm tim trở thành một phvới nhiều mức điều khiển để thay đổi tần số Những đầu dò đa tần này rất thuận lợi cho thăm khám trên lâm sàng Chùm tia siêu âm khi phát ra khỏi

đầu dò ở đoạn đầu tiên đi tơng đối tập trung, song song với trục chính của đầu

đò, gọi là trờng gần( Near field ) Độ dài của trờng gần l = r2 / , trong đó r là

bán kính của tinh thể trong đầu dò Sau đó chùm tia bị loe ra gọi là trờng xa( Far field ), những bộ phận cần thăm khám nằm trong trờng gần cho hình ảnh trung thực và rõ nét hơn Về mặt kỹ thuật muốn tăng độ dài của trờng gần ta có thể tăng bán kính của tinh thể trong đầu dò, hoặc tăng tần số phát để giảm bớc sóng, tuy nhiên điều này bị giới hạn bởi các yếu tố khác, vì tăng r là tăng kích thớc đầu dò, còn tăng tần số sẽ làm giảm độ sâu cần thăm dò, nên ngời ta hay sử dụng 1 thấu kính để hội tụ chùm tia siêu âm để giảm độ loe của trờng xa Ngoài

ra trong trờng chiếu của chùm tia siêu âm còn có vùng tập trung chùm tia hơn những vùng khác gọi là vùng tiêu điểm ( Focal zone ), tại vùng này hình ảnh cấu trúc giải phẫu rõ nét hơn, do đó chúng ta nên điều chỉnh vùng tiêu điểm vào những vị trí cần quan tâm để kết quả phân tích tốt hơn

- Dựa theo phơng thức quét chùm tia siêu âm ngời ta phân đầu dò làm 2 loại: quét điện tử và quét cơ học Nếu căn cứ vào cách bố trí các chấn tử trên giá đỡ chúng ta có các kiểu đầu dò: thẳng( Linear ); đầu dò cong ( convex ); và đầu dò

rẻ quạt ( sector ) Mỗi loại đầu dò sử dụng cho các mục đích thăm khám khác nhau, đầu dò thẳng dùng để khám các mạch máu ngoại vi, các bộ phận nhỏ, ở nông nh tuyến vú, tuyến giáp… đã làm cho siêu âm tim trở thành một ph Đầu dò cong chủ yếu dùng cho các thăm khám

ổ bụng và sản phụ khoa Đầu dò rẻ quạt để khám tim và các mạch máu nội tạng Ngoài ra căn cứ theo mục đích sử dụng chúng ta có rất nhiều loại đầu dò khác nhau nh: Đầu dò siêu âm qua thực quản để khám tim mạch, đầu dò nội soi khi kết hợp với bộ phận quang học để khám tiêu hoá, đầu dò sử dụng trong phẫu thuật, đầu dò trong lòng mạch… đã làm cho siêu âm tim trở thành một ph

- Độ phân giải của đầu dò Là khoảng cách gần nhất giữa 2 cấu trúc cạnh nhau

mà trên màn hình chúng ta vẫn còn phân biệt đợc Nh vậy có thể nói độ phân giải càng cao khả năng quan sát chi tiết các cấu trúc càng rõ nét, chính vì thế độ phân giải là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lợng máy siêu âm ngời

ta phân biệt độ phân giải ra làm 3 loại: Độ phân giải theo chiều dọc là khả năng phân biệt 2 vật theo chiều của chùm tia ( theo chiều trên-dới của màn hình ) Độ phân giải ngang là khả năng phân biệt theo chiều ngang( chiều phải-trái của màn hình ) Độ phân giải theo chiều dày ( chiều vuông góc với mặt phẳng cắt, vì thực tế mặt cắt siêu âm không phải là một mặt phẳng, mà có độ dày nhất định )

Độ phân giải phụ thuộc rất nhiều vào tần số của đầu dò, vị trí của cấu trúc đang nghiên cứu thuộc trờng gần hay xa của đầu dò Mặt khác điều này không hoàn toàn do đầu dò quyết định mà còn phụ thuộc vào sử lý của máy

- Lựa chọn đầu dò: Trong thực hành nhiều khi ngời làm siêu âm phải thực hiện thăm khám nhiều cơ quan, bộ phận khác nhau của cơ thể, đặc biệt là ở các bệnh viện đa khoa Do đó nên lựa chọn đầu dò cho phù hợp với nhiệm vụ của mình, tốt nhất đơng nhiên là các đầu dò đa tần và đầy đủ chủng loại sector, convex, linear Tuy nhiên trên thực tế điều này khó xảy ra, nên cần loại bỏ những đầu dò

ít sử dụng và có biện pháp khắc phục khó khăn khi không có đầu dò chuyên dụng Trớc hết về chủng loại đầu dò, điện tử và cơ khí, cả hai loại này đều cho hình ảnh chất lợng tốt nh nhau, tuy nhiên đầu dò cơ khí thờng có độ bền kém hơn và để làm siêu âm tim thì thờng có kích thớc to hơn đầu dò điện tử cùng loại, nhng đầu dò loại này thờng rẻ hơn Theo mục đích thăm khám, để làm siêu

âm tim tốt nhất đơng nhiên là đầu dò sector, đối với ngời Việt Nam trởng thành tần số thích hợp là 3,5 MHz, tuy nhiên nếu có loại đa tần từ 2-4 MHz là tối u, còn đối trẻ em là 5 MHz, hoặc thích hợp hơn là loại 4-8 MHz Để làm siêu âm bụng tổng quát thông thờng dùng đầu dò convex với ngời lớn là 3,5 MHz ( tốt nhất 2-4 MHz ), trẻ em có thể dùng loại tần số cao hơn Tuy nhiên trong trờng hợp không có đầu dò convex, đầu dò sector vẫn có thể dùng thăm khám ổ bụng

đợc Để thăm khám các bộ phận nông nh tuyến giáp, tuyến vú, tinh hoàn, mạch máu ngoại vi… đã làm cho siêu âm tim trở thành một phđầu dò linear với tần số 7-10 MHz là tốt nhất Nhng trong điều kiện không có, chúng ta vẫn có thể sử dụng một đầu dò cho nhiều mục đích và

ở đây đầu dò sector là tốt nhất Nh vậy trong điều kiện nếu chỉ đợc chọn 1 đầu

dò chúng ta nên mua đầu dò sector đa tần hoặc 3,5 MHz

3.2 Bộ phận sử lý tín hiệu và thông tin

Tín hiệu siêu âm phản hồi từ cơ thể đợc đầu dò thu nhận, sau đó biến thành dòng điện Dòng điện này mang theo thông tin về độ chênh lệnh trở kháng giữa các cấu trúc mà chùm tia siêu âm đã xuyên qua ( khi độ chênh lệch trở kháng giữa hai cấu trúc càng lớn, năng lợng của chùm tia siêu âm phản xạ càng cao, sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều càng lớn ) và thông tin về khoảng cách từ cấu trúc phản xạ siêu âm đến đầu dò Khoảng cách này đợc tính bằng công thức:

2

t c

D: Khoảng cách

c: tốc độ siêu âm trong cơ thể

t: thời gian từ khi phát xung đến khi nhận xung

Những tín hiệu này sau khi sử lý tuỳ theo kiểu siêu âm mà cho ta các thông

tin khác nhau về cấu trúc và chức năng của các cơ quan mà ta cần nghiên cứu Ngoài ra máy siêu âm còn chứa nhiều chơng trình phần mền khác nhau cho phép chúng ta có thể đo đạc tính toán các thông số nh khoảng cách, diện tích, thể tích, thời gian… đã làm cho siêu âm tim trở thành một ph theo không gian 2 chiều, 3 chiều Từ những thông tin này kết hợp với những chơng trình đã đợc tính toán sẵn sẽ cung cấp cho chúng ta những thông tin cao hơn Ví dụ từ đờng kính lỡng đỉnh thai nhi, có thể dự kiến ngày sinh, trọng lợng thai… đã làm cho siêu âm tim trở thành một ph Hoặc từ thể tích thất trái cuối kỳ tâm trơng, tâm thu, chúng ta sẽ biết đợc thể tích nhát bóp, cung lợng tim… đã làm cho siêu âm tim trở thành một ph

Những thông tin về cấu trúc và chức năng của các cơ quan sẽ đợc hiển thị trên màn hình, đồng thời cũng có thể đợc lu trữ lại trong các bộ phận ghi hình qua các phơng tiện nh video, đĩa quang từ, đĩa CD, máy in … đã làm cho siêu âm tim trở thành một phvà có thể nối mạng với các phơng tiện khác Mỗi phơng tiện ghi hình có những u điểm, nhợc điểm riêng, do đó trong thực tế tuỳ theo yêu cầu cụ thể và điều kiện kinh tế, chúng ta

có thể lựa chọn cho phù hợp

4 các kiểu siêu âm

- Siêu âm kiểu A: Đây là kiểu siêu âm cổ điển nhất, ngày nay chỉ còn sử dụng

trong phạm vi hẹp, nh chuyên khoa mắt với mục đích đo khoảng cách, vì nó rất chính xác trong chức năng này Các tín hiệu thu nhận từ đầu dò đợc biến thành những xung có đỉnh nhọn, theo nguyên tắc biên độ của sóng siêu âm phản xạ càng lớn, biên độ của xung càng cao và ngợc lại Nh vậy trên màn hình chúng ta không nhìn thấy hình ảnh mà chỉ thấy các xung Thời gian xuất hiện các xung

sẽ phản ánh chính xác khoảng cách từ các vị trí xuất hiện sóng siêu âm phản xạ

- Siêu âm kiểu 2D: Hay còn gọi là siêu âm 2 bình diện, kiểu siêu âm này hiện

nay đang đợc sử dụng phổ biến nhất trong tất cả các chuyên khoa Có thể nói chính siêu âm 2D là một cuộc cách mạng trong ngành siêu âm chẩn đoán Vì bằng kiểu siêu âm này chúng ta có thể nhìn đợc các cấu trúc bên trong của cơ thể và sự vận động của chúng, chính vì vậy nó đã mở ra thời kỳ ứng dụng rộng rãi của siêu âm trên lâm sàng Nguyên lý của siêu âm 2D nh sau: những tín hiệu siêu âm phản xạ đợc đầu dò tiếp nhận sẽ biến thành dòng điện xoay chiều, dòng

điện này sẽ mang theo 2 thông tin về mức độ chênh lệch trở kháng tại biên giới giữa